循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)振動(dòng)大的原因分析及處理措施

魏海濤，潘繼真，張 煜，唐海峰

(神華河北國華滄東發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 滄州 061113)

1 設(shè)備概況

河北國華滄東發(fā)電有限責(zé)任公司二期工程循環(huán)水泵采用單級(jí)混流泵，配套三相異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)功率2 400 kW，轉(zhuǎn)速為375 r/min，循環(huán)水泵額定流量1 840 t/h，定子16極。轉(zhuǎn)子為鼠籠結(jié)構(gòu)，水冷全封閉結(jié)構(gòu)，上軸承為導(dǎo)向軸承組成，下軸承為滾柱軸承。32號(hào)循環(huán)水泵安裝投入商業(yè)運(yùn)行時(shí)間為2009年3月27日。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1,其中,H為管出入口方向,V為與管道垂直方向，A為軸向；位置1為上軸承；位置2為下軸承；上軸承為滑動(dòng)軸承，下軸承為滾動(dòng)軸承。

2 振動(dòng)過程及現(xiàn)象

2.1 振動(dòng)過程

2009年12月28日14時(shí)55分，由于循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)上軸承冷卻水管道焊縫出現(xiàn)滲漏導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)內(nèi)部進(jìn)水，電動(dòng)機(jī)定子繞組燒毀后將電動(dòng)機(jī)整體返回上海電動(dòng)機(jī)廠進(jìn)行繞組更換，重新噴漆烘干后返回重新安裝。電動(dòng)機(jī)繞組燒毀前，電動(dòng)機(jī)上軸承圓周方向最大振幅鐵心不大于0.02 mm，電動(dòng)機(jī)繞組修復(fù)回裝后上軸承進(jìn)出口方向振幅最小值為0.046 mm，最大值達(dá)0.24 mm(3月10日)(該泵組驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)最大雙幅振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)值為0.12 mm)，從振動(dòng)變化趨勢(shì)來看，電動(dòng)機(jī)振動(dòng)呈現(xiàn)波動(dòng)增大的現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅水泵運(yùn)行安全。

圖1 電動(dòng)機(jī)及其支座示意

2.2 振動(dòng)現(xiàn)象

2.2.1 幅值趨勢(shì)不穩(wěn)定

該電動(dòng)機(jī)在定子系統(tǒng)檢修后于2010年2月初投入運(yùn)行，水泵帶負(fù)荷試運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)軸承振動(dòng)如表1。

表1 循環(huán)水泵帶負(fù)荷運(yùn)行電動(dòng)機(jī)軸承振動(dòng)情況 mm

2010年2月10-20日期間，上軸承順管道方向振幅逐步升至0.08～0.1 mm，繼續(xù)運(yùn)行至2010年2月28日，振幅升至0.15 mm左右，并維持約一周。在2010年3月1-10日，該方向振幅又出現(xiàn)一定程度下降，維持在0.06～0.08 mm，2010年3月12日，振幅又再次升至0.13～0.15 mm，2010年3月14日鐵心振幅達(dá)0.22 mm，超標(biāo)停機(jī)。

2.2.2 電動(dòng)機(jī)空負(fù)荷試運(yùn)行振動(dòng)幅值較大

該電動(dòng)機(jī)在2010年3月進(jìn)行3次空負(fù)荷試運(yùn)行，期間測(cè)量其在沿管道方向鐵心振幅達(dá)0.04～0.11 mm，處于偏高水平，振動(dòng)的幅值在歷次啟動(dòng)均有所不同，有時(shí)啟動(dòng)的鐵心振幅較高，有時(shí)較低，重復(fù)性較差。

2.2.3 空負(fù)荷振動(dòng)具有突變性

2010年3月電動(dòng)機(jī)2次空負(fù)荷試運(yùn)行中還有較為明顯的振幅突變現(xiàn)象，圖2為26日測(cè)得該泵電動(dòng)機(jī)單轉(zhuǎn)振動(dòng)圖譜情況,垂直于管道方向振幅0.03～0.04 mm，順管道方向振幅0.08～0.11 mm，振動(dòng)中主振頻率為二倍頻成分(2X)，并且引起振動(dòng)波動(dòng)的也是二倍頻(2X)變化所致，后觀察電動(dòng)機(jī)打閘降速過程，由沿管道方向振動(dòng)Bode圖(圖2)可看出，打閘后沿管道方向鐵心振幅瞬間減小，通頻值從0.11 mm驟降至0.03 mm左右，而轉(zhuǎn)速只從375 r/min變化為360 r/min，幅度為10 r/min，并且在360 r/min時(shí)振幅0.03 mm，振動(dòng)的主振頻率為1X。

圖2 電動(dòng)機(jī)空負(fù)荷試運(yùn)行過程中上軸承順管道方向振動(dòng)Bode圖

3 原因分析

3.1 振動(dòng)現(xiàn)象分析

由該電動(dòng)機(jī)總體的運(yùn)行趨勢(shì)(圖3)可以看出，該電動(dòng)機(jī)發(fā)生進(jìn)水事件前各工況下，上下軸承的振動(dòng)監(jiān)測(cè)值均保持在很低的水平，即使是相對(duì)較高的上軸承，徑向振動(dòng)的通頻值也在0.03～0.05 mm，軸向振幅值小于0.01 mm，而維修后出現(xiàn)的高鐵心振幅和發(fā)散現(xiàn)象，均為電動(dòng)機(jī)定子重新返廠修理和回裝的過程之后，因此，電動(dòng)機(jī)本體檢修和整體回裝是振動(dòng)異常的客觀原因。

在電動(dòng)機(jī)空負(fù)荷及連泵運(yùn)行即帶負(fù)荷空負(fù)荷均出現(xiàn)維持較長時(shí)間的鐵心振幅大幅波動(dòng)現(xiàn)象，根據(jù)振動(dòng)理論中線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的部件振幅與作用在部件上的激振力成正比，與其動(dòng)剛度成反比。

圖3 電動(dòng)機(jī)上軸承各方向修前振動(dòng)幅值趨勢(shì)

振幅的大小決定于作用在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)上的激振力和支撐系統(tǒng)的動(dòng)剛度。該電動(dòng)機(jī)在安裝完畢后，其動(dòng)剛度即達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，而其振幅的變化則主要取決于激振力大小和方向的變化。此設(shè)備實(shí)際情況是電動(dòng)機(jī)無論是單體運(yùn)行還是帶負(fù)荷運(yùn)行，其上軸承振幅均有不穩(wěn)定的情況存在，這表明在旋轉(zhuǎn)過程中存在有一定的力對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生作用，并且該作用力大小或方向不穩(wěn)定變化，從而導(dǎo)致了振動(dòng)狀態(tài)的不穩(wěn)定。

3.2 振動(dòng)成分分析

由于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械振幅為一個(gè)矢量值，是各種不同激振力共同作用的結(jié)果，故采用頻譜分析的方法對(duì)其振動(dòng)成分進(jìn)行分析。圖4為2010年3月電動(dòng)機(jī)上軸承順管道方向的振動(dòng)頻譜，分別為帶負(fù)荷和空負(fù)荷的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的通頻值約為0.12 mm和0.06 mm。

(a) 帶負(fù)荷狀態(tài) (b) 空負(fù)荷狀態(tài) (通頻值0.12 mm) (通頻值0.06 mm)圖4 電動(dòng)機(jī)上軸承順管道方向振動(dòng)頻譜

由圖4可以看出，其振動(dòng)成分較為簡單(由于儀器頻響范圍影響，圖4中39 r/min頻率項(xiàng)應(yīng)為虛假項(xiàng))，主要為一倍頻分量(1X)和二倍頻分量(2X)組成，其余頻率成分輕微，并且，無論是否帶負(fù)荷，均表現(xiàn)為2X為主的現(xiàn)象，即該電動(dòng)機(jī)振動(dòng)主因?yàn)?X成分。

通過對(duì)其運(yùn)行期間的多次測(cè)量，發(fā)現(xiàn)空負(fù)荷運(yùn)行過程中，1X成分的峰值變化較小，基本均維持在0.025～0.035 mm，而2X分量峰值有所變化，峰值在0.04～0.085 mm，通頻值也同步波動(dòng)在0.05～0.1 mm帶負(fù)荷運(yùn)行過程中，1X有一定變化，波動(dòng)在0.04～0.06 mm，2X變化區(qū)間較大，0.05～0.1 mm，同期振動(dòng)通頻值0.08～0.15 mm，超出允許范圍。

3.3 振動(dòng)機(jī)理分析

1X和2X為其高通頻值的絕對(duì)主要成分，以上2種頻率項(xiàng)的產(chǎn)生根源主要有：轉(zhuǎn)子系統(tǒng)承受較大的不平衡激振力,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)或支撐系統(tǒng)存在剛性不對(duì)稱及不對(duì)稱熱變形和對(duì)中偏差等方面。

3.3.1 振動(dòng)組成中1X分量

對(duì)于1X分量，產(chǎn)生根源通常與轉(zhuǎn)子的殘余不平衡量及撓曲變形附加的不平衡量以及較大對(duì)中偏差等方面有關(guān)，該電動(dòng)機(jī)帶負(fù)荷下1X分量峰值波動(dòng)約0.05 mm，與修前振動(dòng)組成中的1X分量峰值相差不大(圖5)，而空負(fù)荷狀況下，1X峰值約0.03 mm，故顯示出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡量很小，并且由于是空負(fù)荷，對(duì)中偏差的可能性更是不存在。

圖5 電動(dòng)機(jī)修前上軸承順管道方向振動(dòng)頻譜(對(duì)應(yīng)振動(dòng)通頻值約0.025 mm)

3.3.2 振動(dòng)組成中2X分量

2X成分是較1X對(duì)整體振幅影響更大的分量，并且其值較大、波動(dòng)不穩(wěn)定。2X分量產(chǎn)生原因主要有轉(zhuǎn)子系統(tǒng)自身剛性不對(duì)稱、支撐系統(tǒng)剛性不對(duì)稱以及對(duì)中不良。

由于在空負(fù)荷狀況下，該電動(dòng)機(jī)上軸承振動(dòng)通頻值達(dá)到0.04～0.09 mm，已屬較高水平，而此時(shí)與泵體未連接，對(duì)中偏差的可能性也不存在。

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在檢查各配合部件良好、籠條及繞組無松動(dòng)和開裂的情況下，未見明顯的裂紋等異常現(xiàn)象，不存在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剛性偏差的情況。

支撐系統(tǒng)方面包括電動(dòng)機(jī)自身整體的就位、電動(dòng)機(jī)上下軸承的安裝等方面，如其存在偏差和不對(duì)稱的情況，分別會(huì)產(chǎn)生接觸不良及軸瓦油膜厚度不同等情況，使設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，不同方向上對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不對(duì)稱的約束力，從而表現(xiàn)為存在2X分量。

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相互作用，當(dāng)定子三相磁場(chǎng)不對(duì)稱，定轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻、回路電氣不平衡時(shí)，將產(chǎn)生較大的電磁力不平衡，也表現(xiàn)為不同方向上對(duì)轉(zhuǎn)子的限制力不同，引起電動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)，而在頻譜上會(huì)呈現(xiàn)出為2X異常偏高的現(xiàn)象。定子電磁振動(dòng)和靜態(tài)氣隙不均勻的振動(dòng)頻率為電源頻率的二倍,電動(dòng)機(jī)負(fù)載增加時(shí)，振動(dòng)隨之增加。

5 處理措施及效果

對(duì)于該電動(dòng)機(jī)振動(dòng)主因?yàn)?X分量，其產(chǎn)生的根源在于支撐系統(tǒng)剛性不對(duì)稱以及電磁力作用兩方面。由于電動(dòng)機(jī)空負(fù)荷試運(yùn)行過程中，停電瞬間，在轉(zhuǎn)速輕微下降約10 r/min時(shí)刻，振幅由0.1 mm迅速降低至約0.03 mm，故電磁影響振動(dòng)的可能性更明顯。

根據(jù)以上分析，確定了消振的重點(diǎn)是對(duì)電動(dòng)機(jī)及其轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)剛性狀況以及電動(dòng)機(jī)定子方面進(jìn)行檢查，主要的檢查工作有：電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)水平度及接觸狀況；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子推力頭是否存在松動(dòng)；電動(dòng)機(jī)上下軸承的同心度；電動(dòng)機(jī)上導(dǎo)瓦徑向間隙調(diào)整及絕緣墊塊狀況；電動(dòng)機(jī)定子鐵心內(nèi)圓橢圓度及槽楔松動(dòng)狀況；電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子空氣間隙；電動(dòng)機(jī)定子繞組絕緣及直阻狀況。

檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)支撐系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)本體水平度及其與基礎(chǔ)接觸狀況良好，上下軸承徑向間隙和同心度均勻，定子系統(tǒng)中絕緣和直阻偏差在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但空氣間隙偏差較高(約10%)，槽楔緊力也有超差點(diǎn)存在，后在電動(dòng)機(jī)改雙速過程中對(duì)定子系統(tǒng)進(jìn)行了重新布線和槽楔的固定安裝，啟動(dòng)試運(yùn)帶負(fù)荷狀況下，其上、下軸承各向振幅均在0.06 mm以下，空負(fù)荷試運(yùn)狀態(tài)小于0.03 mm，并且振動(dòng)組成中2X分量峰值明顯降低，峰值約0.02 mm，而1X峰值0.03～0.04 mm，較修前持平。經(jīng)長時(shí)間運(yùn)行觀察，其振動(dòng)狀況維持平穩(wěn)水平，無明顯波動(dòng)現(xiàn)象，至此，該電動(dòng)機(jī)振動(dòng)異常的情況徹底得到了治理。

6 結(jié)束語

大型立式水泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的故障現(xiàn)象中，振動(dòng)問題較為常見，需要認(rèn)真查找振動(dòng)的根源。以上案例宏觀上只表現(xiàn)為徑向振幅大，但卻是由于電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子氣隙不均和定子槽楔緊力存在偏差,引起運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子受力不對(duì)稱激發(fā)的振動(dòng)，只有通過細(xì)致的振動(dòng)現(xiàn)象觀察和有針對(duì)性的頻譜分析，才能找到振動(dòng)的真正原因，并采取恰當(dāng)?shù)奶幚泶胧瑫r(shí)也說明現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)測(cè)試與頻譜分析是解決振動(dòng)有效的辦法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 沈慶根，鄭水英.設(shè)備故障診斷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.